某河道治理斷面護(hù)坡比選及清淤體系設(shè)計(jì)

焦文娟

(水利部新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

河道對于區(qū)域防洪有著重要作用，但很多地區(qū)存在河道標(biāo)準(zhǔn)低、堵塞嚴(yán)重、流域環(huán)境差、水土流失嚴(yán)重等問題，河道治理工程成為“民生與環(huán)境”建設(shè)的重要部分。目前，打造流域景觀成為很多地區(qū)河道典型治理方案，兼顧了防洪和環(huán)保，而且也能促進(jìn)當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)發(fā)展。因此，根據(jù)河道實(shí)際情況設(shè)計(jì)生態(tài)治理方案，成為決定治理工程成功與否的重要因素。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

某河流由多個(gè)山區(qū)支流匯集而成，本文所研究河段為山溪性河流，河道寬48～85 m，全長2.5 km，由于流域植被覆蓋率小、河道坡度較大，導(dǎo)致調(diào)節(jié)蓄水能力差，河水平均含沙量達(dá)到13.4 kg/m3。該支流嚴(yán)重影響了河流水質(zhì)，同時(shí)對兩岸土地腐蝕日益嚴(yán)重，因此在2018年4月，相關(guān)部門決定對該段河流進(jìn)行生態(tài)治理。

2 河道洪峰流量計(jì)算及斷面、護(hù)坡比選分析

2.1 河道洪峰流量計(jì)算

洪峰流量Qp是河道治理的最基礎(chǔ)依據(jù)，在此采用“推理公式法”結(jié)合水文站實(shí)際測得數(shù)據(jù)來確定該河段不同頻率下洪峰流量，見公式(1)[1]，經(jīng)查水文手冊，相關(guān)結(jié)果見表1所示。

表1 河道洪峰流量計(jì)算結(jié)果

Qp=0.278×φp×Sp×F/Tn

(1)

式中：Φp為洪峰徑流系數(shù)；Sp為單位時(shí)間雨量，mm/h；F為流域面積，7.5 km2；n為相關(guān)指數(shù)，0.875；T為集流時(shí)間，h。

2.2 河道斷面比選分析

經(jīng)現(xiàn)場勘察，本項(xiàng)目段河道受泥沙淤積、生活垃圾影響嚴(yán)重，行洪能力大打折扣，部分河段甚至僅為設(shè)計(jì)值的50%左右，因此決定對河道斷面進(jìn)行開挖、塑形治理。經(jīng)估算，只要無堵塞問題，項(xiàng)目河道便可滿足行洪要求。

河道斷面主要有3種：矩形、梯形、復(fù)合型，斷面示意圖見圖1所示；各自優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件見表2所示[2]。結(jié)合本項(xiàng)目河段實(shí)際情況，首先排除不利于生態(tài)景觀的矩形斷面；在居民區(qū)附近采用梯形斷面，在上游洪水流量較小河段采用復(fù)合型斷面。

圖1 河道斷面：矩形(左)、梯形(中)、復(fù)合型(右)

表2 各類型河道斷面對比分析

2.3 河道護(hù)坡比選分析

在本項(xiàng)目中，河道護(hù)坡不僅要固結(jié)坡土，通洪排澇，而且是河道邊坡生態(tài)的重要載體，因此設(shè)計(jì)采用生態(tài)護(hù)坡，同時(shí)滿足景觀性和經(jīng)濟(jì)性要求，針對不同河道斷面，護(hù)坡形式有所差別，具體如下：

2.3.1 塊石植物護(hù)坡

設(shè)計(jì)在本項(xiàng)目上游河段設(shè)計(jì)塊石植物護(hù)坡，護(hù)坡主要結(jié)構(gòu)為天然塊石，塊石之間用壤土充填，為保證護(hù)腳強(qiáng)度，利用水泥漿砌筑(見圖2)[3]。該型護(hù)坡上部平地種植喬木，主要防止水土流失，邊坡種植灌木和草木，保護(hù)了生物多樣性，利于河道生態(tài)恢復(fù)，為發(fā)展旅游業(yè)奠定基礎(chǔ)。

圖2 塊石植物護(hù)坡示意圖

2.3.2 生態(tài)混凝土磚護(hù)坡

在本項(xiàng)目下游河段，設(shè)計(jì)采用生態(tài)混凝土磚護(hù)坡，該型護(hù)坡主體由正六邊形混凝土磚鋪砌而成，中間用壤土填充，具有良好的透水性，且能適應(yīng)地基一定程度的不均勻沉降[4]。該型護(hù)坡河岸可打造沿河運(yùn)動(dòng)公園等場所，有利于提高居民的生活環(huán)境水平(見圖3)。

圖3 生態(tài)混凝土護(hù)坡示意圖

3 河道清淤及水質(zhì)凈化體系設(shè)計(jì)

由于本項(xiàng)目河道泥沙含量較大，必須進(jìn)行清淤及水質(zhì)凈化處理，本項(xiàng)目采用的手段包括“蓄水湖+沉沙湖+濕地湖體系”和“控制侵蝕基準(zhǔn)跌水墻”共同完成這一設(shè)計(jì)。

3.1 河道清淤體系設(shè)計(jì)

3.1.1 跌水墻參數(shù)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目跌水墻設(shè)計(jì)在人工湖體系上游，主要是控制河道侵蝕基準(zhǔn)面，保護(hù)下游湖口。通過實(shí)地勘察，本項(xiàng)目跌水墻水流落差約為11.7 m，設(shè)計(jì)采用3級跌水，每級跌水3.9 m(見圖4)。參照其他工程經(jīng)驗(yàn)，對應(yīng)的三處消能池參數(shù)見表3所示[5]。河流經(jīng)過跌水墻后，流速急劇下降，有效保護(hù)了下游控制侵蝕基準(zhǔn)。

表3 消能池參數(shù)設(shè)計(jì)

圖4 三級跌水結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2 “沉沙湖+濕地湖+蓄水湖”設(shè)計(jì)

除了跌水墻外，該項(xiàng)目河道清淤體系還包括沿河床開挖的三處人工湖(從上至下游依次為：沉沙湖、濕地湖、蓄水湖)，利用跌水防護(hù)功能來控制河水侵蝕，并利用水流沖刷作用清除部分淤泥，三處人工湖設(shè)計(jì)如下：

(1)蓄水湖設(shè)計(jì)位于最下游位置，主要作用是收集上游河段少量泥沙，并且承擔(dān)景觀打造及蓄水任務(wù)。蓄水湖面積較大，深度較小，水流緩，便于以后清淤作業(yè)。而且為發(fā)展旅游業(yè)，本項(xiàng)目充分考慮了交通便利性[6]；

(2)沉沙湖位置設(shè)計(jì)在跌水墻下游約500 m位置，其主要任務(wù)是將水流大顆粒推移質(zhì)在湖中沉降；濕地湖設(shè)計(jì)在沉沙湖下游1.0 km位置，除了進(jìn)一步收集泥沙外，還承擔(dān)凈化水質(zhì)、打造旅游景點(diǎn)的作用。

3.2 水質(zhì)凈化體系設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目河段水質(zhì)凈化任務(wù)主要由濕地湖完成，當(dāng)水流通過跌水墻、沉沙湖之后，速度降低，在濕地湖中懸移質(zhì)泥沙轉(zhuǎn)化為推移質(zhì)或床沙。因此，本項(xiàng)目濕地湖設(shè)計(jì)深度較淺(平均5.0 m)，以利于水生植物生長，布置人工浮島，既能凈化懸移質(zhì)泥沙，又能打造濕地景觀。

3.2.1 植物選取設(shè)計(jì)

水生植物可以增加河床粗糙度，減緩水流攜帶泥沙能力，同時(shí)還能固結(jié)土壤，防止水土流失，主要分類、代表植物、特點(diǎn)見表4所示[7]。

表4 植物種類及特點(diǎn)

綜合分析：對于減緩水速和凈化水質(zhì)功能而言，沉水>浮葉>挺水，并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際氣候環(huán)境，最終設(shè)計(jì)選取黑藻、苦草作為種植對象。

3.2.2 人工浮島設(shè)計(jì)

人工浮島可以為鳥類、魚類提供棲息場所，而且可增加景觀效果，有利于河道生態(tài)多樣性。人工浮島由漂浮板和塑料花盆組成，花盆種植水生植物，相互配套(圖5)，本項(xiàng)目漂浮板來自廣州水上設(shè)施建造有限公司，具體規(guī)格：高分子聚乙烯、尺寸330×330×60 mm、孔徑160 mm、卡扣連接。

圖5 生態(tài)浮島實(shí)景施工圖

3.3 噴泉曝氣凈化水質(zhì)技術(shù)設(shè)計(jì)

考慮到本項(xiàng)目河段有多處人工湖，其水體交換速度慢、效率低，容易存在一部分死水情況，這不利于湖內(nèi)水質(zhì)提升。因此本項(xiàng)目除了采用種植水生植物、人工浮島等水質(zhì)凈化措施，還引入了“噴泉曝氣”技術(shù)來增加人工湖深層水溶解氧量，可有效改善深層水質(zhì)。

3.3.1 漂浮式噴泉方式設(shè)計(jì)

針對本項(xiàng)目人工湖工程，采用漂浮式噴泉，具體可分為兩類：浮箱式、浮板式(見圖6)，兩者特征對比見表5所示。通過結(jié)合本項(xiàng)目實(shí)際情況，確定采用浮板式噴泉方案。

圖6 浮箱式(左)和浮板式(右)噴泉結(jié)構(gòu)示意圖

表5 浮箱式和浮板式噴泉特征對比

3.3.2 水體溶解氧量變化分析

為了檢測浮板式噴泉曝氣凈化效果，本項(xiàng)目分別在噴泉周圍8.0 m范圍內(nèi)及遠(yuǎn)離噴泉的平靜區(qū)各選取10個(gè)檢測點(diǎn)，從表層到底層每隔30 cm、2 h取樣品測試溶氧量，共連續(xù)測試24 h，測試結(jié)果曲線見圖7所示(部分)。

由圖7可知：受噴泉影響檢測點(diǎn)相對于非影響點(diǎn)，樣品中溶氧量超出100%，有的甚至超過200%，由此可見噴泉曝氣效果顯著，大大增加了深層湖水的生態(tài)多樣性，對于優(yōu)化深層湖水水質(zhì)、增加人工湖景觀均具有良好作用。

圖7 影響區(qū)內(nèi)外水體溶氧量曲線

4 結(jié)語

河道生態(tài)治理是環(huán)境保護(hù)的重要組成部分，也是城鎮(zhèn)化建設(shè)的重要內(nèi)容，本項(xiàng)目通過采取治理河道護(hù)坡、河道清淤、水質(zhì)凈化等“多管齊下、綜合治理”方法，徹底解決了該河段河水泥沙含量高、水土流失等問題，生態(tài)環(huán)境得到極大提高。雖然工程治理總成本較高，但是也充分利用了環(huán)境優(yōu)勢，打造了旅游項(xiàng)目，可為經(jīng)濟(jì)帶來一個(gè)新的增長點(diǎn)。